铁路通信信号设备接口雷电防护优化设计探究

铁路通信信号设备接口雷电防护优化设计探究

崔毅夫

中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600

摘要：研究表明，铁路通信信号设备接口受到雷击的侵害较为严重，设备接口遭到雷击，会导致通信传输工作难以正常运行，还会给铁路行车造成不良影响。因此，研究行之有效的雷电防护技术，降低雷电对铁路通信信号设备接口的侵害，是现阶段铁路通信设计人员的重点研究内容。

关键词：铁路通信；信号；设备接口；雷电防护；优化设计

引言

当前社会，我国对铁路的重视程度较高，因此铁路取得了较快发展。同时，人们生活水平的提高，促使人们对铁路运输的要求也越来越高，铁路通信设备是保证铁路行车顺利进行的关键因素，因此，保障铁路通信设备安全很重要。文章分析了引起铁路通信信号接口设备遭受雷击的影响因素，阐述了避免其遭受雷击的防护对策。

1接口设备遭受雷害影响因素分析

针对目前元器件使用情况来看，生产商供应的大部分元器件的技术文件中，对元件电涌冲击耐受水平都尚未有明确规定，一部分技术文件标明ESD参数。在接口设备防护优化设计中，技术设计人员对元件电涌冲击耐受情况没有具体参考标准，通常通过多次摸索实验确定SPD，在完成安装后再开始冲击试验。对通过冲击试验的进行选择，反之则继续降低SPD残压，再进行试验，指导通过冲击试验。该方式对选择电涌保护器防护水平和接口设备耐受水平之间差值较小，设备为临界防护状态，使防护不可靠。

临界防护状态下设备遭受损坏的因素包括：

一，SPD限制电压的离散性，对于同种设备，选择的相同型号SPD的残压值不同，因此其对设备的保护效果也存在一定差异。SPD限制电压的离散性与SPD的结构联系紧密，其中放电管串联压敏电阻结构的SPD离散性较大，其中TVS管决定了模拟信号以及串联型数字用电涌的离散性。图1位同一型号的串联型SPD两种残压特性曲线。

图1同一型号两种残压特性曲线

二，设备接口器件耐雷电冲击水平存在离散性。试验时按临界防护状态选取的SPD，对同一型号其他设备的保护存在不确定性。以RS-232总线驱动芯片MAX3222为例，采用10/700μs冲击波经过分压器分压后，对发送脚与地脚间正向冲击时，3个芯片冲击分别得到的冲击耐受值是65.2V、65.2V和61.6V。某一信号设备接口使用该芯片，假定在试验室接口芯片耐冲击水平是65.2V，如果选取防护水平为63V的SPD，则能通过检测试验，但是在实际现场中设备接口芯片的耐冲击水平可能是61.6V，设备接口遭受雷击时就会被损坏。

三，该状态下冲击损害积累效应。在临界防护状态，反复冲击试验会对器件特性造成影响，导致绝缘器件击穿、功率器件烧坏等情况，冲击次数过多，会导致器件发热现象明显，进而影响器件的特性。

2铁路通信信号设备接口雷电防护优化设计方法

2.1设备接口优化设计

对设备接口进行优化设计时，不仅要完成设备接口的功能设计，还要实现雷电防护能力以及电磁兼容的设计。雷电防护能力设计不是指在接口处增加电涌抑制器件，而是在选择接口器件时，从器件功率、器件绝缘特性和耐受水平等多方面综合考虑，提高设备接口自身的耐冲击水平，进而提高其可靠性。例如：在密集端子选择时，尽量增大端子点间的距离以及端子间的绝缘工艺处理，对于提高悬浮系统的绝缘耐压水平有很好效果；在开关量采集电路中，在设计允许的条件下，适当增加光藕前限流电阻的阻值和功率，可以将其耐冲击水平提高一定的量级。

2.2SPD量化设计

SPD量化设计是铁路通信信号设备接口雷电防护优化设计的关键环节。量化设计就是在知道所采用的SPD防护水平值以及防护设备耐冲击水平值Uw的基础上，充分考虑其数值离散性，进而完成优化设计的方法。

目前，铁路信号设备雷害发生较多的情况是CAN总线、RS-422/RS-485通信接口和计算机的开关量采集接口。在此，以防护这些接口的串联型数字和模拟信号用SPD的优化为例，典型防护电路原理如图2所示，说明SPD的量化方法。

图2典型串联型SPD结构图

SPD量化设计要综合多方面考虑，既要对设备防护效果分析，也要对SPD安全考虑。

一，确定Uw。对于耐冲击水平的确定要进行反复冲击试验，对多个试验样品进行冲击，对比最后试验得到的耐冲击水平值，取其最小为SPD量化设计的Uw。

二，选取SPD防护水平值。在得到Uw值的基础上，以相关标准规定的波形为基础，选取一定数量样品，用不同电压冲击样品，最后做出冲击电流与SPD残压的关系曲线，在关系曲线中，得到标准要求冲击电压下SPD的防护水平值Up，其中选择的SPD必须保证Up<Uw，并保留Uw-Up>Uwx10%的余度空间，进而远离临界防护状态，为铁路信号设备接口安全提供保障。

例如采用DIP封装MAXIM3222作为总线驱动的RS-232接口，采用10/700μs电压波经过分压器分压后，对7个芯片分别在发送和地、接收和地之间正反向进行冲击，得到其发送和接收端与芯片地之间的耐冲击水平值Uw=56V.RS-322口总线工作电平最大为15V，因此，设计SPD的最大持续运行电压Uc>15V，选用的TVS管标称导通电压30V。采用10/700μs波形冲击SPD，冲击电压幅值从500V增加到标准规定的4000V，得到SPD残压与冲击电压关系的特性曲线，如图3所示，由图3可知，4000V冲击对应的防护水平Up=45V，满足Uw-Up=56-45=11V>Uwx10%。SPD能够有效保护设备安全。

图3典型串联型SPD限制电压曲线图

结束语

总而言之，雷电侵害是现阶段铁路信号设备接口中主要的侵害形式，因此，相关人员应不断研发设备接口雷电防护技术，做好量化设计，准确把握防护对象的耐冲击情况，同时量化设计SPD器件的耐受值。进而避免铁路信号设备接口处于雷电防护临界状态，保证铁路信号设备接口安全，促使铁路信号通信系统正常工作。

参考文献

[1]蒋笑宇.高速铁路通信信号设备接口雷电防护优化设计研究[J].信息系统工程,2015,（03）:95.

[2]王州龙,王浩,徐德龙.铁路通信信号系统雷电浪涌监测研究[J].铁道通信信号,2013,49（S1）:130-132.